玄武巖材料具有高強度、耐酸堿、耐高低溫等優異性能，成為工業和信息化部發布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2024年版)》中的“關鍵戰略基礎材料”之一，廣泛應用于航空航天、建筑工程、基礎設施、交通運輸等領域。近日，輕工學院張美云教授團隊宋順喜副教授以玄武巖纖維和玄武巖鱗片為原料，以輕工學科基礎為背景，圍繞納米片高效制備、先進納米絕緣、高級聲學吸收、先進防火阻燃、高效電磁屏蔽復合材料開展了一系列研究，取得的研究成果相繼發表在Advanced Science、Journal of Materials Science& Technology等高影響力國際學術期刊上。

團隊利用化學輔助機械法首次從玄武巖鱗片（BS）中制備了具有超高徑厚比（約780.1）的玄武巖納米片（BSNs）。隨后，通過真空輔助自組裝法將BSNs與芳綸納米纖維（ANF）組裝成仿貽貝結構的ANF-BSNs復合納米紙。該復合紙在極低的BSNs含量下具有明顯的層狀結構，顯著提升了復合納米紙的機械性能和絕緣性能，使其在現代小型化高功率電氣設備中具有廣闊的應用前景。研究成果以“Novel Fabrication of Basalt Nanosheets with Ultrahigh Aspect Ratios Toward Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Aramid Nanofiber-Based Composite Nanopapers”發表在《Advanced Science》上。博士研究生戢德賢為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授為通訊作者。

玄武巖納米片/芳綸納米纖維復合納米紙

團隊提出了一種仿貽貝結構的復合芳綸紙概念，通過將羰基化改性的玄武巖納米片植入芳綸納米纖維（ANF）的三維網狀結構中構建仿貽貝層狀結構，然后通過浸漬法將其填充至芳綸紙（AP）的多孔結構中形成復合紙（AP/ANF-CBSNs），制得的AP/ANF-CBSNs復合紙的內部和表面形成了仿貽貝層狀結構，使其具有優異的機械性能、絕緣性能、耐久性、隔熱性和顯著的阻燃性。仿珍珠母結構和浸漬策略為開發先進的電絕緣紙材料提供了一種有效途徑，適用于高頻率和高電壓電氣工程設備。研究成果以“Nacre-inspired composite papers with enhanced mechanical and electrical insulating properties: Assembly of aramid papers with aramid nanofibers and basalt nanosheets”發表在《Journal of Materials Science & Technology》上。博士研究生戢德賢為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授、倪永浩教授為通訊作者。

浸漬法制得仿貽貝結構芳綸復合絕緣紙

團隊通過將具有高縱橫比的超薄CBSNs集成到ANF三維框架中，制備具有三維互連網絡結構的ANF-CBSNs懸浮液，隨后將三維互聯網絡結構通過浸漬法整合至LCP中，增強它們的結構和化學鍵相互作用，進一步采用壓制/干燥方法固化其結構，得到LCP/A-C復合紙。LCP/A-C復合紙的多層結構和多重氫鍵相互作用賦予其優異的機械和電氣絕緣性能、彎曲能力、耐溫性、體積電阻率、疏水性和耐水性。這些優異性能證明了LCP/A-C復合紙作為高性能電絕緣紙的潛力，可以滿足高壓電氣設備快速升級的需求。研究成果以“Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Lignocellulosic Composite Papers with Biomimetic Multilayered Structure and Multiple Hydrogen-Bonding Interactions”發表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。博士研究生戢德賢為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授、倪永浩教授為通訊作者。

具有仿生多層結構和多重氫鍵相互作用的木質纖維素復合絕緣紙

團隊利用纖維素納米纖絲（CNF）、聚乙烯醇（PVA）和玄武巖鱗片（BS）為原料，通過真空輔助自組裝法，制備了具有優異機械強度、電絕緣性和抗紫外線性能的層狀復合紙，通過預混聚PVA與BS，促進了BS與CNF之間的界面結合力。同時，未吸附的PVA增加了混合溶液的粘度，防止了CNF絮凝，進一步增強了材料的均勻性和分散性，這種層狀結構顯著提高了復合紙的機械性能、電絕緣性能和抗紫外老化性能。研究成果以“Nacre-inspired composite paper of PVA crosslinked basalt scale and nanocellulose with enhanced mechanical, electrical insulating and ultraviolet-resistant aging performance”發表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。碩士吳琪為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授為通訊作者。

多功能纖維素納米纖絲/玄武巖鱗片/聚乙烯醇復合絕緣紙

團隊通過濕成型和硅烷蒸汽處理制備了纖維素/玄武巖纖維寬頻吸聲復合紙（CBF）。由于引入了環保型玄武巖纖維，復合紙的孔結構和熱傳導路徑得到了調整，從而提高了吸聲和隔熱性能。特別是50 wt%的玄武巖纖維復合紙表現出較高的吸聲系數和超低的熱導率，制備的CBF復合紙在2000-6000 Hz中高頻范圍內的吸聲系數提高了3.2-5.8倍。此外，復合紙還具有良好的疏水性，經硅烷蒸汽處理后的接觸角在92.3°到132.9°之間，顯示出優異的防水性能和自清潔能力。基于豐富且低成本的天然資源和現代造紙工藝，CBF復合紙為綠色吸聲材料和室內裝飾領域的大規模應用提供了廣闊的可能性。研究成果以“Broadband sound absorption cellulose/basalt fiber composite paper with excellent thermal insulation and hydrophobic properties”發表在《Industrial Crops & Products》上。碩士研究生呂堉溟為本研究的主要完成人，宋順喜副教授為通訊作者。

纖維素/玄武巖纖維寬頻吸聲復合紙

團隊通過真空輔助過濾工藝，將環保型玄武巖纖維（BF）與高性能芳綸納米纖維(ANFs)協同集成，制備了一種有機-無機纖維交替層狀結構的復合紙。該復合紙展示出低熱導率、高抗拉強度和優異的柔韌性。在300℃熱處理60分鐘后，機械強度保持率高達92%。制備的ANFs/BF復合紙的峰值熱釋放率和煙氣生成量分別減少了44.6%和95.3%，顯示出其卓越的阻燃性能。此外，復合紙在極端條件下（如酸堿和高低溫環境）仍保持優良的結構穩定性和機械性能。這種仿珍珠母結構的復合紙在柔性電子設備、阻燃和高溫領域中作為保護層具有廣闊的應用前景。研究成果以“Nacre-Inspired Aramid Nanofibers/Basalt Fibers Composite Paper with Excellent Flame Retardance and Thermal Stability by Constructing an Organic?Inorganic Fiber Alternating Layered Structure”發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。碩士王倩玉為本研究的主要完成人，宋順喜副教授為通訊作者。

有機-無機纖維交替層狀結構的復合紙

團隊通過真空輔助過濾法制備了一種具有“鋼筋混凝土”層狀結構的復合紙，利用了具有優異溫度耐受性和高導電性的玄武巖纖維（BF）、芳綸納米纖維（ANFs）和多壁碳納米管（CNTs）。制備的BF/ANF/CNT復合紙具有優異的熱穩定性和化學穩定性，在高低溫、酸堿腐蝕等極端環境下，仍保持良好的電磁屏蔽性能。此外，復合紙還展示了優異的焦耳加熱性能，具有快速電熱響應和良好的溫度可控性。基于其優異的性能，BF/ANF/CNT復合紙在航空航天、電子通信和智能穿戴設備的電磁干擾屏蔽和熱管理系統中具有巨大的應用潛力。研究成果以“Flexible Basalt Fiber/Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Electromagnetic Shielding Paper with Outstanding Environmental Stability and Joule Heating Performance”發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。碩士黎凌浩為本研究的主要完成人，宋順喜副教授為通訊作者。

具有“鋼筋混凝土”層狀結構的電磁屏蔽復合紙

附論文列表：

[1] Dexian Ji, Shunxi Song,* Yuming Lyu, Wei Ren, Linghao Li, Bin Yang, and Meiyun Zhang*, Novel Fabrication of Basalt Nanosheets with Ultrahigh Aspect Ratios Toward Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Aramid Nanofiber-Based Composite Nanopapers. Advanced Science, 10(27), 2302371.（SCI 1區，Top期刊）

[2] Dexian Ji, Meiyun Zhang*, Hao Sun, Yuming Lyu, Shelley Lymn Cormier, Cong Ma, Hui Zhang, Yonghao Ni*, Shunxi Song*, Nacre-inspired Composite Papers with Enhanced Mechanical and Electrical Insulating Properties: Assembly of Aramid Papers with Aramid Nanofibers and Basalt Nanosheets, Journal of Materials Science & Technology, 215, 283-295.（SCI 1區，Top期刊）

[3] Dexian Ji, Meiyun Zhang*, Hao Sun, Baolong Yuan, Cong Ma, Zhuofan He, Yonghao Ni*, Shunxi Song*, Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Lignocellulosic Composite Papers with Biomimetic Multilayered Structure and Multiple Hydrogen-Bonding Interactions, International Journal of Biological Macromolecules, 3(281), 136247.（SCI 1區，Top期刊）

[4] Shunxi Song*, Qi Wu, Dexian Ji, Linghao Li, Qianyu Wang, Meiyun Zhang*, Nacre-inspired composite paper of PVA crosslinked basalt scale and nanocellulose with enhanced mechanical, electrical insulating and ultraviolet-resistant aging performance, International Journal of Biological Macromolecules, 257, 128602.（SCI 1區，Top期刊）

[5] Shunxi Song*, Yuming Lyu, Junfan Zhao, Wei Ren, Jing Wang, Linghao Li, Qianyu Wang, Meiyun Zhang, Broadband sound absorption cellulose/basalt fiber composite paper with excellent thermal insulation and hydrophobic properties, Industrial Crops and Products, 218, 118985.（SCI 1區，Top期刊）

[6] Shunxi Song,* Qianyu Wang, Dexian Ji, Linghao Li, Jiaojun Tan, Qi Wu, Yuming Lyu, Meiyun Zhang, Nacre-Inspired Aramid Nanofibers/Basalt Fibers Composite Paper with Excellent Flame Retardance and Thermal Stability by Constructing an Organic?Inorganic Fiber Alternating Layered Structure, ACS Applied Materials & Interfaces, 16(3), 4045-4055.（SCI 2區，Top期刊）

[7] Shunxi Song,* Linghao Li, Dexian Ji, Junfan Zhao, Qi Wu, Qianyu Wang, Flexible Basalt Fiber/Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Electromagnetic Shielding Paper with Outstanding Environmental Stability and Joule Heating Performance, ACS Applied Materials & Interfaces, 15(29), 35495-35506. （SCI 2區，Top期刊）

原文鏈接：

[1] https://doi.org/10.1002/advs.202302371

[2] https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.044

[3] https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136247

[4] https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118985

[5] https://doi.org/10.1021/acsami.3c16614

[6] https://doi.org/10.1021/acsami.3c06138

（核稿：劉國棟 編輯：趙誠）